（机械电子工程专业论文）铣削电主轴动静态特性分析与载荷谱的研究.pdf

摘要 论文题目：铣削电主轴动静态特性分析与载荷谱的研究 学科专业：机械电子工程 研究生：王平永签名： 指导教师：刘宏昭教授 签郇严 摘要 电主轴是高速切削技术的关键组件之一，其性能的好坏直接影响着工件加工的质量和 精度。本文以国产1 7 0 x d 3 0 铣削电主轴为研究对象，根据对其性能测试和可靠性试验的 需要，分析了该电主轴的动静态特性，研究了该电主轴的载荷谱。全文的研究内容具体如 卜： 分析了高速电主轴的结构特点和关键技术( 轴承技术、润滑技术、冷却技术) ；通过 对角接触球轴承进行结构建模和力学特性分析，获得了角接触球轴承静刚度的简便计算方 法，并对本课题电主轴轴承的静刚度进行j ，计算；运用a n s y s 软件建立该电主轴的有限 元模型，计算了电主轴的静刚度：对该电主轴进行了模态分析和谐响应分析，结果表明该 电主轴能很好的避免共振，动刚度较好，能够满足加t 质量和精度。 研究了铣削电主轴可靠性试验载荷谱的编制方法，通过工艺分析计算获取了铣削电主 轴的载荷数据，调研和收集该铣削电主轴的典型的t 艺参数，并对所收集的工艺参数进行 了整理和相关载荷量的计算，分组整理出了用于建立该铣削电主轴载荷谱的样本数据。这 种载荷数据采集的方法使获得的样本数据足够大、精确度高，由此建立的载荷谱具有真实 性、典型性。 通过对相关切削数据的分析和计算，整理出了该电主轴载荷谱的样本数据，绘制了铣 削电主轴载荷的相对铣削时间分布点图和累积相对铣削时间分布点图，根据分布点图初步 判断了总体分布类型，运用矩估计法对初定分布类型进行了参数估计。最后，运用k s 检验法进行了分布拟合检验，建立了国产17 0 x d 3 0 铣削电主轴载荷谱的分布模型和五级 试验加载谱。通过对该国产1 7 0 x d 3 0 铣削电主轴载荷谱的建立，为其相关的可靠性加载 试验和设计提供了一定的载荷依据。 关键字：电主轴 刚度；动态特性；矩法估计；k s ? 载荷谱 西安理工大学硕士学位论文 i i a b s t r a c t t l t l e ：s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s l sa n ds t u d yo f t h el o a ds p e c t r u mo fm i l l i n gm o t o r l z e ds p l n d l e m a j o r ：m e c h a n i c a ia n de i e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ：w a n gp i n g y o n g s u p e r v i s o r ：p r o f l i uh o n g z h a o a b s t r a c t s i g n a s l g n a t h em o t o r i z e ds p i n d l eu n i ti so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t so fh i g h s p e e dc u t t i n gt e c h n o l o g y ， w h o s ep e r f o 锄a n c eh a sad i r e c ti m p a c to nt h eq u a l i t ya n da c c u r a c yo ft h ew o r k p i e c e a c c o r d i n g t ot h en e e do fd o m e s t i cl7 0 x d 30m i l l i n gm o t o r i z e ds p i n d l ep e r f o r m a r l c et e s t i n ga n d r e l i a b i l i t yt e s t i n g ，s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o t o r i z e ds p i n d l e a r ea n a l y s e da n dt h el o a d s p e c t r u mi sr e s e a r c h e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： t h eb a s i cs t m c t u r ea n dk e yt e c h n o l o g yo ft h em o t o r i z e ds p i n d l eu n i ti sa n a i y z c d b y m o d e l i n ga n ds t u d y i n gf o r c ec h a r a c t e r i s t i c so fa n g u l a r c o n t a c tb a ub e a r i n gb a s e do nh e r t z c o n t a c tl a wt h es t a t i cr i g i d i 够o fb e a d n gu s e di nt h em o t o r i z e ds p i n d l ei sc a l c u l a t e d af i n i t e e l e m e n tm o d e lo ft h em o t o r i z e ds p i n d l ei se s t a b l i s h e d ，w h i c hi sa p p l i e dt os 0 1 v es t a t i cr i g i d i t y o f t h em o t o r i z e ds p i n d l e t h r o u g ht h eh a n n o n i ca n dm o d a la n a l y s i so f t h em o t o r i z e ds p i n d l e ， t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em o t o r i z e ds p i n d l eh a sg o o dd y n 锄i cp e r f o 瑚1 a n c e t h el o a ds p e c t r u mf o rm o t o r i z e ds p i n d l er e l i a b i l i 够t e s ti sr e s e a r c h e d ，w h i c hi sb a s e do n i n v e s t i g 撕n ga n dc o l l e c t i n go f t h em i l l i n gt e c l u l o l o g yd a t ao f t h e d o m e s t i c1 7 0 x d 3 0m i l l i n g m o t o r i z e ds p i n d l e t h es a m p l ed a t ao ft h em o t o r i z e ds p i n d l e s1 0 a ds p e c t n 肛ni ss o r t e do u ta r e r t h ea i l a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no ft h et e c h n 0 1 0 9 yd a t a b yt h i sm e m o d o fl o a dd a t ac o l l e c t i o n ，t h e s a m p l ed a t ai sl a r g ee n o u g h ，龇l d 血el o a ds p e c t m me s t a b l i s h e dh a sa u t h e n t i c i t ya n dt y p i c a l i 可 t h e 丘e q u e n c yd i s t r i b u t i o np o i n tm a p a n dc u m u l a t i v e 仔e q u e n c yd i s t r i b u t i o np o i n tm 印o f m em i l l i n gm o t o r i z e ds p i i l d l e sl o a da r ed r a w n a n dt h eo v e r a l ld i s t r i b u t i o nm o d e la sw e l la s p a r a m e t e re s t i m a t i o na r ei n i t i a l l yd e t e h n i n e d f i n a l l y ，i tc o n d u c t sa t e s to fd i s t r i b u t i o nf i tb yt h e k st e s tm e t h o d b u i l t st h ed i s t r i b u t i o nm o d e lo f1 0 a ds p e c t n h na n dt h ef i v et e s tl o a ds p e c t r 哪 o ft h em i l l i n gm o t o r i z e ds p i n d l e np r o v i d e sas c i e n t i 6 cb a s i sf o rc a y i n go u td y n 锄i ct e s t k e y w o r d s ：m o t o r i z e ds p i n d l e ；r 画d i t y ；d y n a m i c ；c h a r a c t e r i s t i c s ；m o m e n te s t i m a t i o n ； k s ；l o a ds p e c t m m ； i i i 西安理工大学硕士学位论文 i v l 绪论 1 绪论 1 1 研究的背景 机械制造业是一个国家工业经济的基础，它的发展程度直接体现了一个国家生产力的 水平n 1 。近年来，随着社会经济和工业水平的发展，机械制造业市场上的产品要求越来越 苛刻，其具有了新的特点：更新速度快，需求多样化，质量要求高等。在机械制造业市场 这样的需求之下，制造业加工技术必然要朝着高效，高精度，高品质的发展趋势。当前， 各国都有很多的企业和人员都在从事这个行业，占用了社会大量的人力和物力资源，所以 提高机械制造业的切削加工生产率，具有重大的经济和社会效益。因此，高速切削技术应 用而生。 高速切削的出现带来了机械制造业的又一次重大的飞跃，它是众多高科技技术共同发 展的结果，主要包含高可靠性的控制系统，高档数控技术的设计技术，高速刀具技术，快 速进给系统以及适合高速加工的相关的软硬件技术，高速、高精度的主轴支撑系统等。因 此，高速切削技术是众多技术的完美结合。与常规切削相比较，高速切削在很多方面具有 优越性：加工效率高、热变形小、切削过程稳定性好等。 对于高速切削技术，经过几十年理论和实践的研究和探索，伴随着材料、信息、计算 机、控制等学科的迅速发展，高速支承轴承，高速主轴，高性能的伺服控制系统和耐热耐 磨材料等技术已经得到了突破性的进展，为高速机床的发展奠定了基础。高速机床是顺利 实现高速切削的基本要素，而电主轴是高速机床的心脏组件，电主轴的每一个性能对高速 机床档次和加工的质量都起着直接性的影响。因此，为了提高数控机床的性能，必须开发 质量优良、可靠性高的电主轴，对电主轴的关键技术进行深入的研究，进而提高电主轴的 质量、精度和可靠性，具有极其重要的实际意义。 1 2 电主轴技术国内外的研究现状 工业革命起先在国外，因此国外很早就开展了对电主轴的研究，其技术也一直在国内 技术水平之上。随着电气，变频等技术的快速发展，电主轴的技术越来越成熟，刚开始， 电主轴仅仅应用在磨床上，现在已经形成多类型，多品种的标准化产品。现代高速电主轴 要求也越来越高，世界各国都投入大量的资金积极地研发性能更好的电主轴。目前，国外 对电主轴有以下最新的研究成果口1 ：瑞士i b a g 公司推出了能够在线自动监测轴向尺寸的 智能化电主轴，结合数控系统，实现加工过程中电主轴轴向尺寸的自动补偿；f i s c h e r 公司，推出了具有自动平衡装置的电主轴，能够自动调节电主轴的平衡问题；永磁同步电 动机已经成功应用于电主轴，它的转子为永久磁铁，永久磁铁具有不发热的特点，很好地 解决了内装式电机散热不良的问题，对于进一步提高电主轴的性能起到了巨大的作用。表 西安理工大学硕士学位论文 l 一1 是德国g m n 公司生产的部分电主轴的主要规格。 表卜1g m n 公司生产的部分电主轴型号和主要规格 t a b l e 1 一lt h em a i ns p e c i f i c a t i o n so fg m nm o t o r i z e ds p i n d l e 套筒直最高转速输出功率转矩 主轴型号润滑刀具接口 径( m m )( r m i n )( k w )( n m ) h c l 2 0 4 2 0 0 0 1l1 2 04 2 0 0 01 l3 5 油气s k 一3 0 h c l 2 0 5 0 0 0 0 1l1 2 05 0 0 0 01 13 5 油气 h s k e 2 5 h c l 2 0 6 0 0 0 0 5 51 2 06 0 0 0 05 50 9 油气 h s k e 2 5 h c s1 5 0 9 一1 8 0 0 0 91 5 01 8 0 0 091 1 油脂 h s k a 5 0 h c s1 7 0 2 4 0 0 0 2 7 1 7 0 2 4 0 0 0 2 71 4 油气h s k a 6 3 h c s17 0 4 0 0 0 0 6 01 7 04 0 0 0 06 01 4 油气h s k a 5 0 e 5 0 h c s l 7 0 9 1 5 0 0 0 1 5 1 7 01 5 0 0 01 52 4 油脂 h s k a 6 3 h c s1 7 0 9 2 0 0 0 0 1 81 7 02 0 0 0 01 81 4 油脂 h s k f 6 3 h c s1 8 0 一一3 0 0 0 0 1 61 8 03 0 0 0 01 61 0 油气 h s k a 5 0 e 5 0 h c s1 8 5 9 一8 0 0 0 1 11 8 58 0 0 01 l5 3 油脂 h s k a 6 3 h c s2 0 0 3 6 0 0 0 7 62 0 03 6 0 0 01 62 9 油气 h s k a 5 0 e 5 0 h c s 2 0 0 3 6 0 0 0 7 62 0 03 6 0 0 07 62 9 油气 h s k a 5 0 e 5 0 0 h c s 2 0 0 9 1 2 0 0 0 1 5 2 0 01 2 0 0 01 5 8 0油脂s k 一4 0 在2 0 世纪中期，磨削电主轴在我国机械制造业就已经得到了应用。上世纪8 0 年代到 9 0 年代是中国机械制造业蓬勃发展的辉煌时期，市场上对于加工技术的要求越来越高， 而电主轴有着突出的优越性，国内开始了对其它电主轴的进行开发研究，如木工雕刻机电 主轴，石材雕刻机电主轴，加工中心铣削电主轴等。经过多年的研究，我国电主轴的研究 也取得了很大的成就，己经完成了m d 、m d k 等多个系列的磨削电主轴，广泛应用于内外圆 磨削、拉刀磨削、螺纹磨削等；x p 、c p j 系列主轴，可用于高档数控机床等设备；作为国 家一类轴承、电主轴的科研院所，洛阳轴研所已经研发出数十几个系列，上百种电主轴产 品，转速可以高达1 5 0 0 0 0 r m i n 以上。表卜2 列出洛阳轴承研究所的部分电主轴的型号和 具体的参数。 表卜2 洛阳轴承研究所部分电主轴的型号和具体的参数 t a b l e 1 2t h em a i ns p e c i 行c a t i o n so fl u o y a n gb e a r i n gr e s e a r c hi n s t i t u t e 转速转矩功率电压电流 型号润滑轴承 r m l nn mk wva 31 8 x d j 0 4 y4 0 0 02 0 06 31 2 0 3 8 06 l 油脂4 7 0 2 0 2 7 0l8 2 6 0 x d j l 2 y1 2 0 0 0 1 1 21 4 1 2 0 3 8 05 6 8油脂4 一v e x 6 5 n s 2 一v e x 5 5 2 4 0 x d j l 0 y 1 0 0 0 06 67 51 5 0 3 5 03 2 4 油脂 3 一v e x 6 5 2 v e x 5 5 2 0 0 x d j 2 4 y 2 4 0 0 03 22 21 5 0 3 8 05 3 油气3 一v e x 6 5 2 一v e x 5 5 2 0 0 x d s 2 4 y2 4 0 0 0 3 22 23 0 0 3 8 05 3 油气 3 一v e x 6 5 2 一v e x 5 5 16 0 x d s 3 0 y 3 0 0 0 09 52 23 0 0 3 8 04 2 油气3 一v e x 4 5 2 一v e x 4 5 2 2 0 x d 0 88 0 0 02 8 663 8 03 l 油脂 3 一v e x 6 5 2 一b 7 0 0 9 1 6 0 x d l 21 2 0 0 08 33 5 1 6 0 3 8 01 2 9 油脂 2 b 7 0 1 0 2 一b 7 0 0 9 1 5 0 x d 2 0 2 0 0 0 042 52 2 0 3 8 09 5 油脂 2 一b 7 0 0 8 2 一b 7 0 0 7 1 2 0 x d l 21 2 0 0 04 812 2 0 3 4 42 4 油脂2 一b 7 0 0 8 2 一b 7 0 0 5 1 绪论 目前，我国对于电主轴具有了一定研发生产能力，但国产电主轴在质量、可靠性等方 面，与国外工业强国相比还存在许多的差距。现在，我国的电主轴还无法满足快速发展的 国内市场需要，一些高精度，高转速，高可靠性的电主轴还需要进口来满足。因此，看到 成绩的同时，我们更应该看到与国外电主轴技术的差距，如何研发出性能更好的电主轴， 提高我国高档数控机床的档次和质量，是我国机械制造业的一个重任。 1 3 电主轴动静态特性研究概述 目前，由于市场上对电主轴的要求越来越高，所以电主轴一直是机械制造行业研究的 热门对象，在进行电主轴设计或者性能研究的时候，必然要涉及到电主轴的动静态特性的 研究。电主轴是机电一体化的系统组件，其动静态特性研究涉及很广泛的学科，主要包括 材料力学，运动学，动力学，摩擦学等学科。在2 0 世纪中期以前，国际上还停留在采用 经验比较法进行主轴单元结构和动态特性的设计，这种方法计算比较繁琐，误差大，精度 很低。在2 0 世纪中期以后一直到现在，伴随着计算机技术的不断发展，出现大量的解析 法，比如近似理论法、结构修正法、有限元法，对于其动静态特性的研究提供很好的计算 方法。 在国内外，不少企业和高校进行过电主轴动静态特性的研究。9 0 年代初期，s p u r g 等人在研究主轴支承系统的动静态性能时，只研究了轴承一个径向自由度1 ；j e n q s h y o n 对主轴轴承刚度进行了研究，考虑了布局形式及其离心力对刚度的影响，研发了能够在线 检测预紧力大小的仪器睛1 ；布拉德福大学的学者从轴承的内部结构着手，重点考虑到滚珠 和轨道表面的粗糙度对主轴动态性能的影响凹1 ；2 0 0 0 年，刘素华等人运用有限单元法分析 了加工中心主轴的静动态特性n ；2 0 0 3 年南京理工大学的胡志刚、王永娟等人自行开发 了有限元迭代法计算软件，运用该软件对电主轴轴系转子刚度局部变化情况进行了分析， 结果表明，该软件能很好解决局部刚度变化的问题u 1 | ；哈尔滨工业大学的解志文分析了陀 螺力矩对主轴动态性能的影响n 2 l 。 1 4 载荷谱国内外的研究现状 载荷谱就是研究载荷的基本规律，是模拟加载试验、可靠性试验的前提和基础。载荷 谱的研究是从国外开始的，刚开始载荷谱的研究主要是用在军用产品上n4 | 。1 9 3 7 年， w k l o m 等人对简单的载荷谱的问题进行了一些基础性的研究，为载荷谱的研究开启了先 河。伴随着科技的不断的发展和进步，工程技术人员更多的关注的是能够反映实际工作情 况的真实载荷谱，即随机的载荷谱，但是这种无序无规律的随机载荷谱还无法应用到实际 当中。在六十年代，随着计算机技术和随机振动理论的发展和应用，使得随机载荷谱计数 问题得到了很好的解决。到目前为止，计数法已经得到很好的发展，其中有单参和双参数 西安理工大学硕士学位论文 法，单参数法就是只记录一个载荷与时问关系的信息，而双载荷是研究记录两个载荷信息 与时问的关系，对于一个载荷循环总要用两个参数来表示，因此双参数比单参数更能反映 载荷的特征n 。从七十年代至今，我国在航空，农机和汽车，高速列车等诸方面都开展了 载荷谱的研究工作，且硕果累累。 上世纪7 0 年代，载荷谱的寿命预估的方法就在我国开始研究了，在军用产品的寿命 预估的工作中取得很多成果。比如像在歼七、歼八飞机中用到的实测法和比较法的编谱方 法。汽车行业主要对汽车关键部件运用载荷谱进行室内加载试验n 引。上世纪9 0 年代，我 国工程机械领头羊徐工集团建立了产品质量监督检测站，其检测系统可以用于工程机械类 车体、部件和结构件的动态载荷采集、模拟等工作，试验台可以用于试验研究、性能检验 及可靠性加载试验方面的工作，为我国工程机械发展起到的非常重要的作用n 8 | 。 在上世纪8 0 年代以前，国内外机床设计还利用原苏联提出的机床载荷谱，采用传统 的方法进行设计，这些载荷谱只限于传统的普通通用机床。上世纪8 0 年代以后，世界各 国的机械制造业得到了飞速的发展，机床的转速，切削速度，加工对象发生了翻天覆地的 变化，因此它的受载规律也必然发生很大变化。自1 9 8 2 起，吉林工业大学的机床研究室 就开始研究机床传动系统的受载情况，为机床载荷谱的进一步研究奠定了基础。2 0 0 7 年， 北京工业大学黄祖广等人对立式加工中心试验载荷谱进行了研究，编制了立式加工中心的 转速图谱和功率图谱u 6 。 1 5 本课题的研究内容和意义： 本课题主要对国产1 7 0 x d 3 0 铣削电主轴静动态性能及可靠性试验载荷谱进行了研 究。内容主要包括以下两个方面。 ( 1 ) 电主轴动静态分析： 分析了高速电主轴的结构特点和关键技术( 轴承、润滑、冷却) ；通过对角接触球轴 承进行结构建模和力学特性分析，获得了角接触球轴承静刚度的简便计算方法，并对国产 1 7 0 x d 3 0 铣削电主轴轴承的静刚度进行了计算；运用a n s y s 软件建立该电主轴的有限元 模型，计算了电主轴的静刚度，对该电主轴进行了模态分析和谐响应分析。 ( 2 ) 电主轴载荷谱的研究： 研究了该铣削电主轴载荷谱的编制方法，调研和收集了国产1 7 0 x d 3 0 铣削电主轴典 型铣削工艺和数据。通过对相关铣削数据的分析和计算，整理出了该电主轴载荷谱的样本 数据，绘制了铣削电主轴载荷的相对铣削时间分布点图和累积相对铣削时问分布点图，初 步判断了总体分布模型，运用矩估计法进行了参数估计。最后，运用k s 检验法进行分 布拟合检验，建立了国产1 7 0 x d 3 0 铣削电主轴载荷谱的分布模型和五级试验加载谱。 本课题的意义在于通过对国产1 7 0 x d 3 0 铣削电主轴静动态性能的研究，进一步了解 该电主轴的整体性能，同时为该电主轴优化设计、性能测试和可靠性试验提供了一定的理 4 l 绪论 论依据；通过对载荷谱的研究，为开展其加载试验和可靠性设计提供了一定的载荷根据。 西安理工大学硕士学位论文 一_ 6 2 电主轴单元基本结构与刚度分析 2电主轴单元基本结构与刚度分析 2 1 基本结构 利用主轴的电机直接来驱动主轴，再配套一些必要的装置，比如像冷却装置、润滑装 置等，这样将电机和主轴一体化的装置就是通常所说的电主轴。从电主轴的定义可知，它 并不是简单的一根光杆轴，它是一个系统组件，包括支持系统的高速轴承，用于轴承的润 滑系统，电源接口，反馈系统，电气驱动模块等。电主轴的研究是集多学科为一体的高科 技技术，主要涉及到高速切削技术，电气传动技术，变频技术等。电主轴使得数控机床的 传动系统得到的前所未有的简化，它具有很多突出的优点：结构比较紧凑轻巧、振动小、 响应速度快，而且切削速度快、效率高。因此，电主轴在目前的高档数控机床已经得到了 普遍的应用，传统的齿轮、带轮的传动系统已经基本上被取代了。 目前，根据电主轴电机和轴承之间的位置关系，电主轴结构的布局情况可以分为两种： 一是电机处在前轴承和后轴承之间的位置，如图2 1 所示，这种布局方式通常采用串联方 式安装前后轴承，后支撑的轴承尺寸一般较小，这种布局方式的优点是：电主轴的轴向尺 寸较小，主轴刚度高、功率大，比较适合适用于中大型高速机床。二是电机处在后轴承之 后的位置，如图2 2 所示。这种布局方式的优点是：电主轴前端的悬伸量尺寸减小，对于 电动机的散热非常有利。但这种结构的电主轴轴向尺寸较大，与主轴的同轴度不易调整。 目前，这种布局方式应用不多，常用于小型高速数控机床，尤其适用于加工模具型腔的高 速精密机床。 l 一编码器2 ，7 一主袖平衡套3 一主轴 9 一h s k 刀具夹套l o 一碟形弹簧 4 一主电动机5 一水套6 一壳体8 一前主轴轴承 i l 一拉杆1 2 一后主轴轴承1 3 液压缸 图2 一l 电机位于主轴的前后轴承之间 f i g 2 1m o t o rl o c a t e db e t w e e nt h ef r o n ta n dr e a rb e a r i n g so fs p i n d l e 西安理工大学硕士学位论文 1 一液压缸2 一拉杆3 一主屯动机4 一后主轴轴承5 一碟形弹簧 6 一主轴7 一前圭轴轴承8 一刀具夹套 图2 2 电机位于主轴的后轴承之后 f i g 2 2m o t o rl o c a t e d1 0 c a t e da tt h eb a c ko fr e a rb e a r i n g so fs p i n d l e 2 2 电主轴关键技术研究 2 2 1 高速轴承技术 高速轴承：电主轴在工作中，其轴承要不断地高速旋转，要承受来自切削加工的切削 力和自身内部的摩擦力，相对其它部件，轴承的受载最为复杂和严重，实践证明，轴承是 电主轴最容易损坏的部件，所以电主轴的对支承系统的轴承要求就非常高，轴承也就成了 电主轴单元最为关键的部件，它的性能直接影响着主轴的转速、精度和寿命。当前，在国 内外，高速轴承的研究是一个热点，常用于主轴系统支承的轴承主要可以分为三种类型： 利用电磁力将主轴悬浮于空间的磁悬浮轴承、综合了动压轴承和静压轴承优点的动静压轴 承和材料使用陶瓷的球轴承。 磁悬浮轴承：电主轴的趋势是不断朝着高转速，高精度的方向发展，现在国外的主 轴的转速可以达到2 0 0 0 0 0 r m i n 以上，由于摩擦发热，机械磨损等原因，传统轴承的转速 现在已经到了尽头，磁悬浮轴承使得主轴向持续高速、高精度的发展成为了可能。磁悬浮 轴承又叫磁力轴承，它的基本原理就是运用定子上的电磁斥力使得主轴在空间悬浮起来。 磁力轴承保证主轴空间位置精度的基本思路是：当受到电磁力悬浮于空间的主轴位置发生 改变时，其相应的位置传感器就会马上测出其变化的大小，并且通过控制器和相应的自动 信息处理装置迅速地调整电磁力的大小，使得主轴能够回到原来的空问位置，保持主轴的 空间位置的精度。磁悬浮轴承没有直接和主轴接触，几乎无机械磨损，无噪音，精度高， 但是它适用的环境要求非常苛刻，必须在真空、超净的特殊环境中，所以磁悬浮轴承的制 造成本很大，自动控制的灵敏度要求很高，很难在实际中得到普遍的应用。 2电主轴单元基本结构与刚度分析 深腔 浅腔 轴向回油糟 图2 3 磁悬浮轴承原理 f i g 2 3p r i n c i p l e so fm a g n e t i cb e 撕n g 进油l 惑 图2 4 动静压轴承结构简图 f i g 2 4s t m c t u r ed i a 乎锄o fs t a t i ca n dd y n a m i cp r e s s u r eb e a r i n g 动静压轴承：是一种综合了静、动压轴承的优点，非常具有市场前景的轴承，它的承 载能力来自于主轴转动将油带入油楔时而产生的，这种承受外载荷能力和主轴转速有直接 性关系。动静压轴承一般都具有浅腔的结构形式，当主轴开始转动的时候，浅腔里会产生 阶梯效应使得静压和动压的承载力叠加，大幅度地增加了主轴的承受外载荷能力，该轴承 还具有运转平稳、高速性能好，调速范围广等优点。动静压轴承的不足在于它只能用于特 定的机床，无法实现标准化生产制造，在实际中，应用很少。 陶瓷球轴承：和普通的轴承的区别在于轴承材料的不同，普通的轴承材料全部使用的 钢制造。目前，在国内外，由于制造技术，经济成本等因素，全陶瓷轴承还无法应用到实 际当中去，而混合陶瓷球轴承( 部分材料使用陶瓷材料) 却得到了广泛的应用。陶瓷与轴 承钢的性能相比具有很多的优点点，下表2 1 将它 门的性能予以对比： 9 西安理工大学硕士学位论文 表2 1s i 3 n 4 陶瓷和轴承钢材的性能对比 1 1 a b l e 2 2p e r f o m a n c ec o m p a r i s o no fs i 3 n 4c e r a m i c sa n db e a r i n gs t e e l 材料性能s i 3 n 4 陶瓷轴承钢 比率 密度( c m 3 ) 3 2 4 7 8 50 4 1 2 弹性模量( g p a ) 3 1 42 0 61 5 2 4 硬度( h v l o ) 1 6 0 07 0 02 2 8 6 线膨胀系数( 1 o c ) 3 2 1 0 61 2 5 1 0 - 6o 2 5 6 极限工作温度( 。c ) 1 0 8 01 2 0 9 0 磁性 不导磁导磁 绝缘性 不导电导电 耐腐蚀性好 差 抗弯强度( m p a ) 7 0 02 5 0 00 2 8 断裂韧度( 删m ) 圳2 7 2 0 0 2 5 泊松比 0 2 60 3 0o 8 6 7 热导率( w ( m k ) ) 3 24 00 8 2 2 2 润滑技术 润滑是为了减少两个摩擦表面之问的摩擦以便于它们之间的运动，有时候润滑也可以 起到冷却的作用。电主轴工作时轴承高速旋转，其内外圈、滚珠、导轨之间产生巨大的摩 擦，这种摩擦如果不能及时很好的润滑，那么轴承将可能被严重的磨损，影响加工性能， 甚至造成轴承或者主轴的破坏。 表2 2 润滑方式的对比 t 抽l e 2 2c o m p a r i s o no fl u b r i c a t i n gm e t h o d s 润滑方式油脂润滑油雾润滑油气润滑 轴承的温升高较低较低 不容易泄漏，密封所需装置结构简 所需装置结构简 简单，无需润滑装单，维修方便，润滑单，维修方便，价格 特点 置，经济性好，冷却好，冷却性能好，成便宜密封好，润滑 性能差本较高好，但容易污染环境 适用转速适用于低速适用于较高转速适用于高转速 目前，轴承的润滑形式按照润滑物质的形态可以分为三类：油脂、油雾、油气润滑1 。 油脂是多种物质混合而成的半固体润滑剂，在电主轴装配过程中直接对轴承润滑，属于一 次性润滑；油雾是通过压缩空气将油液压成油雾状，然后输送到轴承的润滑部位；油气润 滑是润滑效果较好的一种润滑方式，它直接将润滑油由压缩空气输送到轴承的润滑部位， l o 2 电主轴单元基本结构与刚度分析 油气润滑都有专门的润滑装置，分配阀能够调整润滑油的大小和速度，做到定时、定量， 专门的油气输送管道能够使油气非常均匀的得到输送。表2 3 是三种润滑方式性能的比 j 上 较o 2 2 3 冷却技术 由于电主轴的转速很高，在实际工作过程中必然会产生大量的热，引起电主轴的发热， 如果其温升不能很好的控制则会影响电主轴的工作过程，所以必须保持电主轴的温度在一 定的范围内。 电主轴一般采用内置式电机，这种电机的发热会引起主轴系统的热变形，进而影响到 加工的质量和精度。受结构限制，电主轴不能用风扇进行散热，所以热量就难以向外扩散， 现在电主轴解决发热问题通常是给电机配置有效的循环冷却系统。外循环油水冷却系统是 电主轴常采用的冷却方式，当其在工作时，冷却水会在电机定子外套的螺旋槽中不断的循 环流动，而带走主轴电机的热量。 图2 5 电主轴油水热交换循环冷却系统 f i g 2 5c i r c u l a t i n gc o o l i n gs y s t e mo i lw a t e rh e a te x c h a n g e 高速电主轴的冷却一般有水冷、气冷或油水热交换循环等方式，其中油水热交换循环 冷却系统是冷却效果最好的一种方式，其系统结构如图2 5 所示。为了达到好的散热效果， 大部分电主轴都采用油水热交换循环的方式对内置电机定子强制冷却，这样的冷却方式也 能用在主轴轴承的强制冷却中。冷却装置的控制方式可以分为两种：定温控制和差温控制。 电主轴电机的冷却液套有内冷却液套和外冷却液套两种方式：对于大功率，大型的电主轴， 热源主要来自于电动机的发热，一般采用内冷却液套冷却；对于小功率，小型的电主轴， 轴承摩擦是其主要的热源，一般采用外冷却液套或定子和轴承都带冷却液套的方法冷却。 西安理工大学硕士学位论文 电主轴的油水热交换循环冷却系统是对定子运用冷却油进行连续的循环冷却，冷却油 先通过压力泵增加压力输入到入油口，然后进入开有螺旋冷却槽的定子冷却套内，可与电 机热量进行充分的交换，从而带走大部分热量，冷却油再从出油口流出，流出的冷却油经 过冷却水的热交换冷却，降低温度后就流回油箱，这样不断的循环往复，实现循环冷却。 这种强制冷却方式不断带走了主轴系统的热量，使得主轴系统能够保持热平衡状态，减少 了由于温升而导致的变形，保证了电主轴的正常工作。 l 、后轴承2 、主轴3 、出水口4 、定子5 、转子6 、前轴承7 、刀柄 图2 6 铣削电主轴结构简图 f i g 2 6 s t r u c t u r ed i a 野a mt h em i l l i n gm o t o r i z e ds p i n d l e 本文研究的铣削电主轴结构简图如图2 6 所示，它的主轴的电机处在前轴承和后轴承 之间。该铣削电主轴的最高转速可以达到3 0 0 0 0 r p m ，额定功率为2 2 k w ，采用h s k 刀具 接口，整个主轴支承系统是由前后两对角接触陶瓷球轴承的支承方式，前轴承为一对 v e x 4 5 肘s 轴承，后轴承为一对v e x 4 0 n s 轴承，前后轴承都采用油气润滑。前、后轴承 具体的参数的如表2 3 所示： 1 2 表2 3 前后轴承的参数 t a b l e 2 3p a r 锄e t e r so f t h ef o n ta n dr e a rb e a “n g 型号 v e x 4 5 n sv e x 4 0 n s 内径d ( 垅m ) 4 54 0 外径d ( m 们) 7 5 6 8 接触角o 【 1 5 01 5 0 预紧力尼。( ) 2 5 3 21 8 3 5 滚动体数目z 1 61 6 润滑方式油气油气 滚动体直径d w ( m m ) 6 6 2 6 3 5 滚动体材料s i 3 n 4 陶瓷s i 3 n 4 陶瓷 2电主轴单元基本结构与刚度分析 2 3 电主轴静态特性研究 电主轴静态特性研究主要是对其静态刚度的研究，刚度是结构或者构件非常重要属 性，它表示其反抗由于外载荷而引起的弹性变形的能力，一般用外载荷的大小和相应的位 移( 或者角位移) 的变化量的比值作为度量。这里的外载荷可以是静态的，也可以是动态 的，把结构在静载荷下反抗变形的能力叫静刚度，结构在动载荷下反抗变形的能力叫动刚 度。电主轴在工作过程中，工件与刀具之间有很大的切削力，工件给刀具的作用力将最终 作用于主轴系统，如果主轴系统的刚度不够，那么势必使得电主轴前端产生较大的变形， 这对于加工的质量和机床的性能都有很大的影响，导致零件的加工质量和精度的下降，机 床寿命的减少，使得机床主轴轴承、导轨等部件产生很大的压力，加剧了磨损，甚至导致 破坏。所以，分析电主轴的刚度特性就显得尤为关键。 图2 7电主轴单兀的网0 度 f i g 2 7t h es t i 骱e s so ft h es p i n d l eu n i t 不同的载荷对于电主轴的作用效果不一样，产生的位移方向也不一样。电主轴刚度按 位移的方向可以分为三种：径向刚度、轴向刚度和角刚度。通常情况下，径向刚度比其它 方向的刚度要重要的多，一般所说的电主轴刚度指的就是电主轴的径向静刚度阻2 | 。那么电 主轴的刚度厨可表示为： k ，：!( 2 1 ) y 上式中：墨一电主轴刚度( 聊m ) ； y 一电主轴前端面变形位移量( 聊) ； p 一电主轴径向作用载荷( ) 。 影响电主轴刚度因素的很多，如电主轴的结构尺寸，支承系统的布局方式，电主轴的 制造与装配精度等，本文将首先运用理论分析轴承的刚度，然后运用有限元软件计算分析 电主轴的刚度。 西安理工大学硕士学位论文 2 3 1 角接触球轴承接触变形的计算 角接触球轴承受外力后的变形主要发生在内外圈滚道处与滚动体接触处的弹性变形， 根据赫兹接触理论，在q 力作用下，材料相同的两物体以点接触相互挤压的弹性变形& 可用下面的公式进行计算乜1 | ： 耻血掣 半孚彬 眨2 ， 式中：型型赫兹系数； 占k 弹性趋近量，m ； 1 一泊松比，钢材v = o 3 ； 广曲率总和； 9 一作用力，； 卜材料弹性模量，钢材庐2 0 6 8 7 1 0 1 1 ，m 2 。 对于钢性轴承，将泊松比和弹性模量代入式( 2 2 ) ，可以得到： 耻2 7 9 l o _ 8 x 掣( p q 2 ) ( 2 3 ) “ 删 _ 1 一 对于角接触球轴承，赫兹系数型导和p 可以用滚动体直径。a 的函数来表示，代入 式子( 2 3 ) 后可得： 6 ：4 2 3 l o 。8 ( 盟) ；( 2 4 ) d b 式( 2 4 ) 中占为内外滚道接触处与滚动体接触处总的弹性变形，根据式子可对滚动体与 滚动接触变形进行计算。 2 3 2 角接触球轴承受力分析 角接触球轴承是能够同时承载轴向载荷凡和径向的载荷e ，受外力后，滚动体的压 力线会相交与轴线上，形成所谓的压力尖角，为了达到平衡，外力f 就必然作用在压力 锥尖，其角接触球轴承的受力如图2 8 所示。 1 4 2 电主轴单元基本结构与刚度分析 图2 8 角接触球轴承受力分析 f i g 2 8l o a d i n ga n a l y s i so fa n g u l a rc o n t a c tb a hb e a r i n g 角接触球轴承在载荷凡和一的联合作用下，在轴承的轴向和径向上，轴承的内外环 将分别产生相对位移量既和反，在这个时候各个滚动体承受的载荷是不一样的，其变形 位移量可表示为： 6 l f ，= 6 。s i n + 6 。c o s a c o s y( 6 y o ) ( 2 5 ) 6 y = o( 屯o ) ( 2 6 ) 上式中：a 角接触球轴承的接触角； l ，各滚珠中心与最大负荷滚动体中心之间的夹角。 各个滚动体负荷为： l 绋= 1 1 4 9 1 0 1 1 ( d b 6 y 3 ) i( 2 7 ) 由滚动体受力平衡可得： c = q y c o s a c o s y c = q y s i n a 公式( 2 8 ) 和( 2 9 ) 表示就是轴承的轴向、径向载荷与位移的关系。 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 西安理工大学硕士学位论文 2 3 3 轴承的轴向预紧与位移 轴承的预紧方式按照方向可以分为径向预紧和轴向预紧，对于角接触球轴承的预紧适 合轴向预紧，本文研究的铣削电主轴的轴承采用的是轴向定位预紧方式，轴向定位预紧特 点是预紧时产生轴向的相对位移，预紧后受载荷作用，轴承的间距恒定。若预紧力大小为 凡o ，这时各滚珠受力一致，变形一致，则每一滚珠的负荷为瞳： f q = ( 2 1 0 ) 么s l n 位 式中：z 一为滚珠数目。 将上式( 2 1 0 ) 代入( 2 4 ) ，可以求得各个滚珠与内外圈滚道的接触变形为： 12 6 = 4 2 3 1 0 堪( z 2 s i n a 见) 3 c o j ( 2 1 1 ) 轴承内外环轴向相对位移为： 譬 l ， 6 。o = = 4 2 3 1 0 。8 ( z 2 s i n 5 a d 6 ) 3 只o j ( 2 - 1 2 ) 2 3 4 轴承的径向刚度 轴承预紧后，如再受到径向载荷b 作用时，内、外环产生相对径向位移磷，由于预 紧方式为轴向定位预紧，则受到径向载荷作用时，轴向位移仍为预紧时轴向位移坑d ，那 么，各滚珠的弹性变形为： 瓯= 既o s i n a + 瓯c o s a c o s y ( 2 1 3 ) 各滚珠负荷为： l三 瓯= 1 1 4 9 1 0 1 1 d b